一种用于电磁轴承特性可控的弹性备用轴承

主动电磁轴承( Act ive Magnet ic Bear ing,AMB) 在航空多电发动机转子支承结构上使用必须解决其可靠性问题。作为提高AMB 系统可靠性一种强有力的手段, 备用支承在实际中普遍使用。使用备用轴承的目的包括在AMB 不工作时支撑转子、在AMB 过载情况下分担轴承的载荷以及保证在AMB 突然失效的情况下能够使转子系统短时可靠工作。目前AMB 的备用轴承有多种形式, 如滚动型备用轴承、衬套型备用轴承、薄片气体动压型备用轴承、零间隙型备用轴承、行星型备用轴承等, 其中滚动和衬套型备用轴承最为常见。其他形式的备用轴承虽然在一定程度上能够改善滚动和衬套型备用轴承的不足, 但其结构相对比较复杂, 本身的可靠性较低。另外这些备用轴承都是被动式的, 其动力特性难以进行控制和调整。近几年, 基于转子系统振动控制的研究, 主动备用轴承也得到了关注。对滚动型和衬套型备用轴承的研究结果已经表明 , 如果在滚动型或衬套型备用轴承外采用弹性阻尼支撑, 在合理选择其阻尼和刚度的条件下, 可以减小AMB 失效后转子在坠落过程中对备用轴承的碰撞力, 抑制系统中可能出现的对备用轴承有重要影响的具有较大冲击力和振动在全间隙范围内的大幅回转运动。基于这些研究结果, 本文将动力特性可控的径向电涡流阻尼器、弹性支撑与滚动型或衬套型备用轴承相结合, 提出了一种动力特性可控的新型备用轴承。首先介绍了这种新型备用轴承的结构和工作原理, 然后在不同坠落转速和转子不平衡条件下测量了转子坠落在新型备用轴承上的瞬态冲击响应, 分析了新型备用轴承对转子坠落在备用轴承过程中瞬态冲击响应的抑制能力。
1 基本结构及原理
1.1 基本结构特性可控的弹性备用轴承实质上是一种弹性支撑的滚动型或衬套型备用轴承, 由动力特性可控的径向电涡流阻尼器、弹性支撑与滚动型或衬套型备用轴承组合而成。滚动型动力特性可控的弹性备用轴承的基本结构。滚动轴承的内环与轴颈或轴之间留有一定的间隙, 形成传统的带有固定间隙滚动型备用轴承。滚动轴承的外环不是直接固定在刚性基础上, 而是固定在一个弹性支撑上, 在弹性支撑上又以并联的方式设置了一个动力特性可控的电涡流阻尼器, 通过电涡流阻尼器来改变弹性阻尼支撑的特性, 以达到实现对备用轴承动力特性的控制。动力特性可控弹性备用轴承中的径向电涡流阻尼器由内、外环组成, 其间留有一定的间隙, 在导磁材料的内环或者外环上设置一组周向线圈以便在内、外环之间的间隙中形成工作磁场, 外环直接固定在轴承座内, 内环通过弹性支撑与基础相连。弹性支撑的作用有3 个方面: 为了限制阻尼器内环的旋转运动, 从而消除由阻尼器内环在磁场中旋转可能产生的不稳定问题;为备用轴承提供必要的支撑刚度在阻尼器的内、外环都为磁性材料的情况下, 产生一个使内、外环不被吸在一起的线圈电流或电压的工作范围, 产生电涡流效应。如果将滚动轴承的外环换为衬套轴承的外轴瓦, 就形成了衬套型特性可控的弹性备用轴承结构。本文主要研究滚动型特性可控的弹性备用轴承的特性。11 2 工作原理特性可控的弹性备用轴承的工作原理是通过控制与弹性支撑并联的径向电涡流阻尼器的动力特性来改变备用轴承的动力特性。径向电涡流阻尼器是基于导体在磁场中运动产生电涡流效应的原理工作的。对于一个在非时变电磁场中以速度v 运动的导体, 其磁场强度H( t) 满足的方程为$ 2H( t) = LC9H( t)9t- LCcurl( v @ H( t) ) ( 1)式中: L和C分别为材料的磁导率和电导率; $2和curl 分别为微分算子和旋度符号。导体上产生的电流密度J 为J( t) = curl( H( t ) ) =1Lcurl(B( t ) ) ( 2)式中: B( t) = LH( t ) 为导体上的磁感应强度。电涡流产生的阻尼力F 为F =QV( J( t) @ B( t ) ) dV ( 3)式中: V 为导体的体积。可见, 导体在恒稳磁场中运动时, 在导体上所产生的电涡流阻尼力的大小和方向均由在运动导体中形成的电涡流密度以及内外环间隙中的磁感应强度的大小来决定。因此只要通过改变阻尼器线圈上的电压( 或电流) 来改变内外环间隙中径向磁场的大小, 就可以改变阻尼器的特性。
2 试验系统试验
转子由一个长700 mm、直径8 mm 的均质柔性轴、一个均质圆盘、电磁轴承、特性可控的备用轴承、电机及连轴节等组成。轴的驱动端支撑在一个调心球轴承上, 非驱动端支撑在AMB上, 备用轴承紧靠AMB 的外端。圆盘位于两个支承之间。备用轴承位置轴上轴颈、AMB 位置轴上轴颈和圆盘的质量分别为01 103, 11 060 和01 680 kg。盘的中心与非驱动端轴承中心、AMB中心以及备用轴承中心的距离分别为144, 331 和72 mm。转子与电机间采用柔性连轴器, 以减小电机对转子系统动力特性的影响。电机为带有速度反馈控制的无刷直流电机, 最高速度6 000 r/ min。AMB 为8 极结构, 基本参数为: 单磁极面积290 mm2 、磁极内径571 6 mm、轴向长度66 mm、直径间隙11 6 mm、绕组电组01 35 8 。测量及控制系统基于d-SPACE 控制平台和PC 机。为了保证转子坠落试验结果有很高的重复性, 试验中采用了线圈电流同步切换以及转子坠落位置准确控制的方法。试验中特性可控的弹性备用轴承结构, 弹性备用轴承的弹性支撑元件的多层梁式结构。在弹性支撑的内部设置了一个球轴承。在球轴承的内圈上套有不同内径的衬套, 以便与轴颈相配合, 形成所需的备用轴承间隙。在弹性支撑上并联设置了一个电涡流阻尼器。阻尼器外径为80 mm, 单边工作区长度为10 mm, 直径间隙为11 5 mm, 线圈匝数为80, 整个弹性支撑可动部分的集中质量为11 39 kg。备用轴承位于AMB 的外端, 备用轴承位置转子轴颈的外径为25 mm, 轴向长度为30 mm,直径间隙为01 75 mm, 备用轴承内环和转子轴颈的材料均为钢。备用轴承位置轴颈的振动是利用安装在球轴承附近的电涡流传感器来测量的。
3 试验结果及分析
3.1 特性可控弹性备用轴承的基本特性
首先在非旋转状态下进行了弹性备用轴承单元在不同激励电流情况下的频响函数测试。试验是在转子与备用轴承脱离后, 给电涡流阻尼器的线圈上通有恒定的电流, 在弹性备用轴承的水平或垂直方向上用力锤激励, 用质量较小的加速度传感器来测量系统的响应, 然后得到弹性备用轴承单元在不同激励电流条件下的频响函数。不同激励电流条件下可控弹性备用轴承单元在垂直方向上的频响函数曲线。由图4 可以看出, 无激励电流时, 弹性备用轴承实际上就是支撑在弹性支撑上, 这时系统的阻尼很小, 所以在频响函数上出现了一个明显的尖峰。在电涡流阻尼器上施加一定的电流后, 由于电涡流阻尼器的内、外环均为导磁材料, 所以在阻尼器内、外环不同心的情况下会产生一个单边磁拉力; 另外当内环在磁场中运动时还出现了一个电涡流阻尼力。前者使弹性备用轴承的等效刚度下降, 后者会使其等效阻尼增大, 两者的共同作用使得弹性备用轴承的频响函数的尖峰迅速下降并向低转速方向移动。试验中弹性备用轴承电涡流阻尼器内、外环被吸在一起的线圈电流的临界值为01 8 A, 试验中的电流范围取为0~ 01 4 A 。通过对从图4 中给出的弹性备用轴承单元频响函数曲线上得到的弹性备用轴承的固有频率变化率和无量纲阻尼比的变化率随线圈电流的变化情况的分析, 容易说明电涡流阻尼器上的单边磁拉力形成的负刚度引起的弹性备用轴承等效刚度降低并非是频响函数尖峰迅速下降并向低转速方向移动的主要因素, 径向电涡流阻尼器中的电涡流阻尼作用才是系统的无量纲阻尼比发生明显变化的关键[ 13] 。可见只要改变电涡流阻尼器线圈上的电压或电流的大小就完全可以达到对弹性备用轴承动力特性进行控制的目的。
3.2 AMB 转子系统的不平衡响应
支撑在AMB 上的转子系统在增速过程中的不平衡响应曲线。由图可以看出,AMB 转子系统在转速为1 850 r/ min 的转速附近出现了明显的共振现象。增速过程中, 盘在共振转速区的最大振幅接近11 40 mm, 备用轴承轴颈处的最大振幅接近01 35 mm, 但没有接触备用轴承。
3.3 转子坠落试验结果及分析
转子不平衡量较小情况下, 分别在亚临界1 700 r/ min 和超临界区2 200 r/ min 的转速下, AMB 连续3 次失效前后备用轴承轴颈位置处的运动轨道。图中的大圆圈表示备用轴承的间隙圆, 小的闭合轨道表示AMB 失效前备用轴承轴颈的运动轨道, x 和y 分别表示备用轴承轴颈水平和垂直方向的振动。由于备用轴承外面电涡流阻尼器的工作间隙较大以及传感器不在备用轴承的中心位置, 所以当转子坠落在备用轴承上时, 备用轴承轴颈的运动幅度会超过备用轴承的间隙圆。在无电流时, AMB 失效后备用轴承的轴颈出现了以自由落体) 碰撞弹起) 自由落体为特征的在间隙圆底部的摆动运动, 这时轴颈摆动运动的幅值较大, 而且转子与备用轴承之间的撞击次数较多。随着线圈电流的增大, AMB 失效后轴颈虽然仍然在间隙圆底部摆动, 但是摆动的幅度明显减小。当线圈中的电流超过一定值之后, 不仅轴颈摆动的幅度很小, 而且摆动的过程明显缩短, 转子与备用轴承之间的撞击次数明显减小, 甚至出现图7( d) 中仅发生一次撞击后就不再发生反弹的情况, 转子坠落在备用轴承上后很快就进入正常运行状态。转子的不平衡量增大后, 在2 200 r/ min转速下, AMB 连续3 次失效前后备用轴承轴颈位置处的运动轨道。由于转子不平衡量的增大, 转子的振动增大, 所以在AMB 失效后转子坠落过程中的运动轨道也增大, 但AMB 失效后轴颈的运动仍然是在间隙圆下部的摆动, 转子与备用轴承之间的撞击次数较多。随着备用轴承中电涡流阻尼器激励电流的增大, AMB 失效后轴颈在间隙圆底部的摆动运动的幅度明显减小, 转子与备用轴承之间的撞击次数也减小。2 200 r / min 稳态转速下激励电流对AMB 失效后转子坠落过程中轴颈运动轨迹的影响( 转子不平衡量增大)在电涡流阻尼器施加较大电流的大量转子坠落试验中, 未曾观察到对备用轴承有重要影响的以碰撞弹起) 加速落体) 碰撞弹起为特征的在整个间隙圆范围的碰撞型回转运动以及备用轴承的轴颈与备用轴承始终接触在一起的摩擦型回转运动。
4 结 论
基于径向电涡流阻尼器和弹性支撑形成的动力特性可控的滚动型备用轴承, 能够明显地减小主动电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承上的瞬态动力响应以及转子对备用轴承的冲击作用, 降低转子在坠落后出现的对备用轴承和转子有显著影响的在整个间隙圆范围内的碰撞型回转运动以及备用轴承的轴颈与备用轴承始终接触在一起的摩擦型回转运动的运行形式。